TWI636853B - 硏磨系統及實施硏磨製程和化學機械硏磨製程的方法 - Google Patents

硏磨系統及實施硏磨製程和化學機械硏磨製程的方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供研磨基底之研磨系統和方法，研磨系統包含具有平台和平台上的研磨墊之研磨組件，也包含基底承載組件的裝配，以固定基底使基底之表面與研磨墊緊密銜接，更包含厚度感測組件的裝配，以監測研磨墊之厚度。

Description

研磨系統及實施研磨製程和化學機械研磨製程的方法
本發明是關於研磨基底的技術，特別是有關於研磨系統及實施研磨製程的方法。
半導體積體電路(integrated circuit,IC)工業經歷了快速成長。在IC材料和設計的科技進展產生了數個IC世代，每一個世代具有相較於前一個世代更小且更複雜的電路。然而，這些進展也增加製程和IC製造的複雜度。在IC的進程發展上，當幾何尺寸(例如：使用生產製程能創造的最小組件(或線))逐漸減少的同時，機能上的密度(例如：單一晶片區域上的互連裝置數)也逐漸增加，此縮小製程一般係藉由增加產率和降低相關成本提供效益。
近幾十年來，使用化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)製程將用來建立積體電路的分層平坦化，因此幫助提供更精確的積體電路裝置結構特徵。CMP製程是結合化學移除與機械研磨的平坦化製程。因為可於整個晶圓表面達到整體的平坦化，CMP製程為有利的製程。CMP係自晶圓研磨和移除材料，且可操作於多樣的材料表面。
因為CMP製程是形成ICs的重要製程之一，希望能擁有可維持CMP製程可靠度和效率的機構。
本揭示的實施例提供使用研磨墊研磨基底的系統和方法。研磨系統包含用以偵測和監測研磨墊之厚度的厚度感測組件，厚度感測組件包含渦電流感測組件，用以偵測自研磨墊內或下的導電元件產生的渦電流，偵測到的值用於計算研磨墊之厚度。因為厚度感測組件的輔助，在研磨墊之厚度變得太小之前，以第二研磨墊(例如新的研磨墊)置換研磨墊。因此可即時以新的研磨墊更換研磨墊，以維持研磨製程的品質。
根據一些實施例提供研磨系統，研磨系統包含具有平台和平台上之研磨墊的研磨組件，此研磨系統也包含用以使基底與研磨墊緊密銜接的基底承載組件，此研磨系統更包含用以監測研磨墊厚度的厚度感測組件。
根據一些實施例提供實施研磨製程的方法，此方法包含使用研磨墊研磨基底，也包含監測研磨墊之厚度，更包含當研磨墊之厚度小於預定值時，以第二研磨墊置換研磨墊。
根據一些實施例提供實施CMP製程的方法，此方法包含使用研磨墊研磨基底，及提供漿料於基底和研磨墊之間，也包含調節研磨墊和監測研磨墊之厚度，更包含當研磨墊之厚度小於預定值時，以第二研磨墊置換研磨墊。
100、100’、100”‧‧‧研磨系統
102‧‧‧研磨組件
104‧‧‧基底承載組件
106‧‧‧調節組件
108‧‧‧平台
110‧‧‧研磨墊
111‧‧‧漿料
112‧‧‧漿料傳送單元
114、120‧‧‧機械手臂
116‧‧‧基底載具
118‧‧‧基底
122‧‧‧修整頭
124‧‧‧調節盤
200‧‧‧厚度感測組件
202‧‧‧第一線圈
203‧‧‧第二線圈
204‧‧‧控制單元
206‧‧‧底墊
208‧‧‧頂墊
209、209’、209”‧‧‧導電元件
210‧‧‧凹陷
300、400‧‧‧方法
302、304、306、402、404、406、408、410‧‧‧操作
B1、B2‧‧‧磁場
T‧‧‧厚度
藉由以下的詳述配合所附圖式，可以更加理解本揭示的觀點。值得注意的是，根據工業上的標準慣例，許多特 徵並沒有按照比例繪製。事實上，為了能清楚地討論，不同特徵的尺寸可能被增加或減少。
第1圖是根據一些實施例之研磨系統的透視圖；第2A圖是根據一些實施例之一部分研磨系統的剖面圖；第2B圖是根據一些實施例之一部分研磨系統的剖面圖；第2C圖是根據一些實施例之一部分研磨系統的剖面圖；第3圖是根據一些實施例說明實施研磨製程之方法的流程圖；第4圖是根據一些實施例說明實施研磨製程之方法的流程圖；第5圖是根據一些實施例之研磨系統的透視圖；第6圖是根據一些實施例之研磨系統的透視圖。
以下揭示提供了很多不同的實施例或實例，用於實施所提供的標的之不同特徵。組件和配置的具體實例描述如下，以簡化本揭示。當然，這些僅僅是實例，並非用以限定本揭示。舉例而言，敘述中若提及第一特徵形成在第二特徵之上，可能包含第一和第二特徵直接接觸的實施例，也可能包含額外的特徵形成在第一和第二特徵之間，使得它們不直接接觸的實施例。此外，本揭示可能在不同的實例中重複參考數字及/或字母。如此重複是為了簡明和清楚，而非用以表示所討論的不同實施例及/或形態之間的關係。
再者，空間上相關的措辭，例如「在……之下」、「在……下方」、「下方的」、「在……上方」、「上方的」 和其他類似的字詞，可用於此，以簡化描述一元件或特徵與其他元件或特徵之間，如圖所示之關係的陳述。此空間上相關的措辭意欲包含使用中的裝置或操作除圖式描繪之方向外的不同方向。儀器可以其他方向定位(旋轉90度或其他定位方向)，且在此使用的空間相關描述符號可同樣依此解讀。
本揭示描述了一些實施例，第1圖是根據一些實施例之研磨系統100的透視圖。研磨系統中可增加額外的特徵。以下描述的一些特徵可為了不同的實施例被取代或刪除。一些實施例中，研磨系統100為化學機械研磨(CMP)系統，CMP系統使用化學反應和機械研磨的結合以自半導體裝置表面移除材料。
根據一些實施例，如第1圖所示，研磨系統100包含研磨組件102和基底承載組件104。基底承載組件104係用來固定基底118頂著研磨組件102以實施研磨製程，例如CMP製程。一些實施例中，基底118為半導體晶圓。一些實施例中，基底承載組件104包含機械手臂114和基底載具116。基底載具116也可稱作研磨頭(polishing head)。一些實施例中，機械手臂114包含可旋轉的軸。
研磨組件102係用以研磨基底118的表面。一些實施例中，研磨組件102包含平台108和架置或固定在平台108上的研磨墊110。一些實施例中，平台108為可旋轉的平台，係用以在一或多方向旋轉，平台108可依順時針及/或逆時針方向旋轉。一些實施例中，研磨組件102更包含漿料傳送單元112，用於提供漿料111於研磨墊110上。
漿料111可包含特殊尺寸、形狀且懸浮在水溶液中 的漿料顆粒，漿料顆粒可大約如同要研磨之基底118的材料層一樣硬。水溶液中可依要研磨的材料加入酸或鹼，其他的添加物也可加入水溶液中，例如界面活性劑及/或緩衝劑。
基底載具116係用以固定基底118使基底118之表 面與研磨墊110緊密銜接。基底載具116也可用以提供向下的壓力於基底118上。一些實施例中，當實施研磨製程(例如CMP製程)時，研磨墊110直接接觸於基底118且藉由平台108旋轉。一些實施例中，持續地在研磨製程期間藉由漿料傳送單元112提供漿料111於研磨墊110上。
一些實施例中，在研磨製程期間基底承載組件104 也使基底118旋轉。一些實施例中，基底118和研磨墊110同步地以相同方向旋轉。舉例而言，基底118和研磨墊110都順時針旋轉，或者基底118和研磨墊110都逆時針旋轉。一些實施例中，基底118和研磨墊110同步地以相反方向旋轉(例如其中一者以順時針旋轉，另一者以逆時針旋轉)。一些其他的實施例中，在研磨製程期間基底118不旋轉。
研磨速率可受各種的參數影響，這些參數包含施 加在基底118上的向下壓力、平台108和基底載具116的旋轉速率、漿料111的化學組成、漿料111內的漿料顆粒濃度、漿料111的溫度和漿料111內漿料顆粒的形狀、大小及/或分布。
一些實施例中，研磨墊110為多孔結構，且具有粗 糙的研磨表面。一些實施例中，研磨墊110包含多個凹陷，這些凹陷可用於留住漿料111，以在研磨製程期間確保於研磨墊 110和基底118之間提供足量的漿料111。第2A圖是根據一些實施例之一部分研磨系統(例如研磨系統100)的剖面圖。一些實施例，如第2A圖所示，研磨墊110包含多個凹陷210。一些實施例中，凹陷210為溝槽。
研磨製程實施後，研磨殘餘物(例如來自基底移除 的部分及/或漿料顆粒)可能填入研磨墊110的孔內，因此研磨表面會變光滑，且研磨墊110的表面粗糙度會下降，結果降低研磨速率。
根據一些實施例，為了維持研磨速率，調節研磨 墊110以恢復研磨墊110的紋理。對研磨墊110實施修整的操作(或調節的操作)。一些實施例中，如第1圖所示，研磨系統100更包含調節組件106。根據一些實施例，調節組件106包含機械手臂120、修整頭(dresser head)122和調節盤(conditioning disc)124。一些實施例中，機械手臂120包含可旋轉的軸。一些實施例中，如第1圖所示，漿料傳送單元112、基底承載組件104和調節組件106係依序安置於沿平台108的轉動方向上。一些實施例中，於研磨基底118的期間內實施研磨墊110的調節。
一些實施例中，調節盤124為鑽石盤。鑽石盤包含嵌入金屬層的鑽石。金屬層被牢固於調節盤124的支撐板上。舉例而言，金屬層為鎳層及/或鉻層。調節盤124係用以刮除和移除研磨墊110在研磨製程後累積太多研磨殘餘物的表面部分。因此，暴露出研磨墊110新的較低部分並用於持續研磨製程。因為調節盤124的修整，更新了研磨墊110的表面，也因為恢復了研磨墊110的紋理，研磨速率得以維持。
如上所述，藉由調節組件106調節研磨墊110以恢復研磨墊110的紋理。在調節操作後研磨墊110因此而消耗。當研磨墊110的厚度減少，凹陷210的深度也減少。結果，當研磨墊110消耗太多時，研磨墊110可能無法留住足量的漿料111。研磨製程會受到負面的影響。
根據一些實施例，如第1圖所示，研磨系統110更包含厚度感測組件200。厚度感測組件200係用於監測研磨墊110的厚度。一些實施例中，藉由厚度感測組件200偵測和監測研磨墊110的厚度。一些實施例中，在研磨墊110的厚度及/或凹陷210的深度變得太小前，以第二研磨墊(例如新的研磨墊)置換研磨墊110，因此可即時更新研磨墊110，且維持研磨製程的品質。
一些實施例中，厚度感測組件200包含渦電流(eddy current)感測組件。一些實施例中，渦電流感測組件係用以偵測自研磨墊110內或下之導電元件產生的渦電流。一些實施例中，導電元件包含導電纖維、導電顆粒、一或多層導電層、其他合適的導電元件或前述之組合。
根據一些實施例，如第2A圖所示，導電元件209散佈於研磨墊110內。一些實施例中，研磨墊110包含頂墊208和底墊206。一些實施例中，導電元件209散佈於頂墊208內。一些實施例中，導電元件209平均地散佈於頂墊208內。一些其他的實施例中，導電元件209散佈於底墊206內。一些實施例中，導電元件209平均地散佈於底墊206內。一些其他的實施例中，導電元件209散佈於頂墊208和底墊206內。導電元件209可包含 金屬纖維、碳纖維、金屬顆粒、碳顆粒、其他合適的材料或前述之組合。
一些實施例中，如第1或2A圖所示，厚度感測組件 200位於平台108下。一些實施例中，厚度感測組件200包含第一線圈202和第二線圈203。第二線圈203可用於產生磁場B1。 研磨墊110內的導電元件209可因應磁場B1產生渦電流。產生的渦電流轉而產生新磁場B2。第一線圈202可用以感測磁場B2。 磁場B2與自導電元件209產生的渦電流成比例。當研磨墊110變薄時，導電元件209的數量也減少，這使得渦電流和磁場B2變得較小。感測的資訊可用於計算研磨墊110的厚度T。因此，藉由偵測磁場B2來偵測和監測研磨墊110的厚度T。
第3圖是根據一些實施例說明實施研磨製程之方 法300的流程圖。參閱第1、2A和3圖，方法300以使用研磨墊110研磨基底118的操作302開始。方法300接著是監測研磨墊110厚度T的操作304。一些實施例中，厚度T係藉由厚度感測組件200偵測和監測。一些實施例中，當研磨墊110研磨基底118時，實施研磨墊110厚度T的監測。一些其他的實施例中，在研磨基底118前實施厚度T的監測。一些其他的實施例中，在研磨基底118後實施厚度T的監測。
一些實施例中，如第3圖所示，方法300接著進行 操作306，在此操作中若研磨墊110的厚度T小於預定值時，以第二研磨墊置換研磨墊110。預定值可根據需求做設定。當厚度T大於預定值時，凹陷210的深度足夠留住足量的漿料111，研磨製程可良好地實施，且無需置換研磨墊110。當厚度T小於 預定值時，凹陷210可能無法留住足量的漿料111，因此，當偵測厚度T小於預定值時，厚度感測組件200可指示此情況，所以可即時以第二研磨墊(例如新的研磨墊)置換研磨墊110，維持研磨製程的品質，並且不會太早置換研磨墊110，製造成本和時間也因而減少。
一些實施例中，厚度感測組件200包含控制單元 204。控制單元204可用於傳送電性訊號給第一線圈202和第二線圈及/或接收來自第一線圈202和第二線圈203電性訊號。一些實施例中，控制單元204電連接於或能夠控制警報單元(未繪示)。警報單元可用於指示研磨墊應該以新的置換。一些其他的實施例中，控制單元204電連接於或能夠控制機械手臂(未繪示)。一旦研磨墊110的厚度T小於預定值，機械手臂會開始實施置換研磨墊的操作。
根據一些實施例，如第1圖所示，厚度感測組件200 電連接於或能夠控制調節組件106。一些實施例中，厚度感測組件200的控制單元204電連接於或能夠控制調節組件106。一些實施例中，調節組件106由控制單元204所控制。
第4圖是根據一些實施例說明實施研磨製程之方 法400的流程圖。參閱第1、2A和4圖，方法400以使用研磨墊110研磨基底118的操作402開始，方法400接著是使用調節盤124調節研磨墊110的操作404。一些實施例中，同步實施研磨墊110的調節和基底118的研磨。
方法400接著進行是監測研磨墊110厚度T的操作 406。一些實施例中，藉由厚度感測組件200偵測和監測厚度T。 一些實施例中，在研磨基底118和調節研磨墊110的期間，實施研磨墊110厚度T的監測。
一些實施例中，方法400接著進行操作408，在此 操作中若研磨墊110的厚度T小於第一預定值，減少調節盤124施加於研磨墊110之力。因此，降低研磨墊110的消耗速率以增加研磨墊110的壽命。如第4圖所示，方法400接著進行操作410，在此操作中若研磨墊110的厚度T小於第二預定值，以第二研磨墊置換研磨墊110。一些實施例中，操作410提及的第二預定值小於操作408提及的第一預定值。
如上所述，第二預定值可根據需求做設定。當厚 度T大於第二預定值時，凹陷210的深度足以留住足量的漿料111，研磨製程可良好地實施，且無需置換研磨墊110。當厚度T小於第二預定值時，凹陷210的深度可能無法留住足量的漿料111。因此，若偵測到的厚度T小於第二預定值，可以第二研磨墊(例如新的研磨墊)即時置換研磨墊110，維持研磨製程的品質。如此將不會太早置換研磨墊110，因而減少製造成本和時間。
本揭示的實施例可做許多變化及/或修改。第5圖是 根據一些實施例之研磨系統100’的透視圖。一些實施例中，如第5圖所示，厚度感測組件200位於研磨墊110上。第6圖是根據一些實施例之研磨系統100”的透視圖。一些其他的實施例中，如第6圖所示，厚度感測組件200位於平台108內。
本揭示的實施例可做許多變化及/或修改。舉例而 言，導電元件並不限於導電纖維及/或導電顆粒。一些實施例 中，導電元件包含導電層。第2B圖是根據一些實施例之一部分研磨系統(例如研磨系統100’)的剖面圖。
根據一些實施例，如第2B圖所示，導電元件209’ 形成於研磨墊110內。一些實施例中，導電元件209’是研磨墊110頂墊208和底墊206之間的導電層。一些實施例中，研磨墊110包含一或多個作為導電元件的導電層。一些實施例中，導電元件209’為形成似線圈圖案的一或多個導電層。一些實施例中，第2B圖顯示的研磨系統係用以實施第3圖所描述的方法300。一些實施例中，第2B圖顯示的研磨系統係用以實施第4圖所描述的方法400。
如上所述，第二線圈203可用來產生磁場B1。研磨 墊110內的導電元件209’可因應磁場B1產生渦電流。產生的渦電流轉而產生新磁場B2。第一線圈202可用於感測磁場B2。磁場B2與自導電元件209’產生的渦電流成比例。因為研磨墊110的遮蔽，第一線圈202感測到磁場B2的值低於實際值。當研磨墊110在研磨和調節的消耗後變薄，研磨墊110對磁場B2的遮蔽變弱，因此當研磨墊110變薄，第一線圈202可感測到較大的磁場B2，所以研磨墊110厚度T的偵測和監測可藉由偵測磁場B2達成。
本揭示的實施例可做許多變化及/或修改。舉例而 言，導電元件並不限於散佈或形成於研磨墊110內。一些實施例中，導電元件位於研磨墊110之外。一些實施例中，導電元件位於研磨墊110下。第2C圖是根據一些實施例之一部分研磨系統的剖面圖。
根據一些實施例，如第2C圖所示，導電元件209” 形成於研磨墊110下。一些實施例中，導電元件209”為研磨墊110和平台108之間的導電層。一些其他的實施例中，導電元件209”包含多個導電層。一些實施例中，導電元件209”為形成似線圈圖案的一或多個導電層。一些實施例中，第2C圖顯示的研磨系統係用以實施第3圖所描述的方法300。一些實施例中，第2C圖顯示的研磨系統係用以實施第4圖所描述的方法400。
同樣地，第二線圈203可用來產生磁場B1，以誘發 研磨墊110下的導電元件209”產生渦電流。產生的渦電流轉而產生新磁場B2。第一線圈202可用於感測磁場B2。磁場B2與自導電元件209’產生的渦電流成比例。因為研磨墊110的遮蔽，第一線圈202感測到磁場B2的值低於實際值。當研磨墊110變薄，研磨墊110對磁場B2的遮蔽變弱，因此當研磨墊110變薄，第一線圈202可感測到較大的磁場B2，所以研磨墊110厚度T的偵測和監測可藉由偵測磁場B2達成。
本揭示的實施例提供使用研磨墊研磨基底的系統 和方法。研磨系統包含用以偵測和監測研磨墊之厚度的厚度感測組件，厚度感測組件包含渦電流感測組件，用以偵測自研磨墊內或下的導電元件產生的渦電流，偵測到的值用於計算研磨墊之厚度。因為厚度感測組件的輔助，在研磨墊之厚度變得太小之前，以第二研磨墊(例如新的研磨墊)置換研磨墊。因此，可即時以新的研磨墊更換研磨墊，以維持研磨製程的品質。
以上概述數個實施例為特徵，以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更理解本揭示的觀點。在發明 所屬技術領域中具有通常知識者應該理解他們能以本揭示為基礎，設計或修改其他製程和結構以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在發明所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的結構並無悖離本揭示的精神與範圍，且他們能在不違背本揭示之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。

Claims (11)

  1. 一種研磨系統，包括：一研磨組件，具有一平台和一第一研磨墊於該平台上；一導電元件，設置於該第一研磨墊內或下，其中該導電元件包括導電纖維、導電顆粒或前述之組合；一基底承載組件，用以使一基底緊密銜接至該第一研磨墊；一厚度感測組件，用以監測該第一研磨墊之一厚度，當該第一研磨墊之該厚度小於一預定值時，以一第二研磨墊置換該第一研磨墊；以及一調節組件，用以恢復該第一研磨墊之紋理，其中該調節組件電連接於該厚度感測組件，且該調節組件包括用以調節該第一研磨墊的一調節盤，當該第一研磨墊之該厚度小於一另一預定值時，減少該調節盤施加於該第一研磨墊之一力，其中該另一預定值大於該預定值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之研磨系統，其中該厚度感測組件包括一渦電流感測組件，用以偵測自該導電元件產生的一渦電流，其中該渦電流感測組件位於該導電元件上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之研磨系統，其中該渦電流感測組件位於該第一研磨墊上、該平台下或該平台內。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之研磨系統，其中該第一研磨墊包括一頂墊和一底墊，且該導電元件為一導電層位於該頂墊和該底墊之間。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之研磨系統，其中該導電元件為一導電層位於該第一研磨墊和該平台之間。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之研磨系統，其中該導電元件散佈於該第一研磨墊內。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之研磨系統，更包括：一漿料傳送單元，用以供應一漿料至該第一研磨墊上，其中該調節盤用以接觸和調節該第一研磨墊，且該導電元件位於該調節盤下。
  8. 一種實施研磨製程的方法，包括：使用一第一研磨墊研磨一基底；藉由偵測自該第一研磨墊內或下之一導電元件產生的一渦電流，監測該第一研磨墊之一厚度，其中該導電元件包括導電纖維、導電顆粒或前述之組合；當該第一研磨墊之該厚度小於一預定值時，以一第二研磨墊置換該第一研磨墊；使用一調節盤調節該第一研磨墊；以及當該第一研磨墊之該厚度小於一另一預定值時，減少該調節盤施加於該第一研磨墊之一力，其中該另一預定值大於該預定值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之實施研磨製程的方法，其中於研磨該基底之期間內，實施該第一研磨墊之該厚度的監測，且更包括施加一磁場於該導電元件使該渦電流產生。
  10. 一種實施化學機械研磨(CMP)製程的方法，包括：使用一第一研磨墊研磨一基底；提供一漿料於該基底和該第一研磨墊之間；使用一調節盤調節該第一研磨墊；藉由偵測自該第一研磨墊內或下之一導電元件產生的一渦電流，監測該第一研磨墊之一厚度，其中該導電元件包括導電纖維、導電顆粒或前述之組合；當該第一研磨墊之該厚度小於一預定值時，以一第二研磨墊置換該第一研磨墊；以及當該第一研磨墊之該厚度小於一另一預定值時，減少該調節盤施加於該第一研磨墊之一力，其中該另一預定值大於該預定值。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之實施化學機械研磨(CMP)製程的方法，其中於研磨該基底之期間內，實施該第一研磨墊之該厚度的監測和該第一研磨墊的調節。
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